ASPEN_PLUS_學習經(jīng)驗

ASPEN PLUS學習經(jīng)驗

1 .概述

入門是初學aspen plus軟件最重要也是最難的一關。讀過手冊的人都知道，

Aspen plus的手冊和資料有很多，初學者面對如此之多的資料可能不知如何開

始，我認為其中比較重要而且必讀的是《用戶指南》（《ur guide》）、《單元操

作模型》（《Unit Operation Models》）、《物性方法和模型》（《Physical Property

Methods and Models》）、《物性數(shù)據(jù)》等，如果有一定的英文基礎，最好是讀

英文的，這些在幫助文件中都有。

其實一旦入了門，流程模擬軟件學習起來就很簡單了，很多功能觸類旁通，

很容易就懂了，比如說，如果知道了nsitivity, 那么optimizaiton、desian

spec就很容易了。 大體來說，初學aspen plus 需要掌握如下三個方面：

1） aspen plus能做什么？

2）Aspen plus需要什么？

3）aspen plus的界面及功能。

2. aspen plus的界面及功能

和學習所有軟件一樣，首先需要了解軟件的環(huán)境，也就是界面。我個人認為

界面基本上可以分為兩種：一是流程圖窗口(process flowsheet window),另外

是數(shù)據(jù)瀏覽窗口（data browr window)。

實際上還應該再加一個控制面板（control panel)窗口，這個窗口也很重要，

但這個窗口只是在流程調(diào)試使用，并且涉及的內(nèi)容初級入門者也不必花太多時間

去看，先忽略。

流程圖窗口很簡單，只要你在工廠干過，看過PFD流程圖并且是windows

的用戶，就沒有什么難得地方，讀一下《ur guide》知道各菜單及快捷鍵的功

能，很快就能搞定。

數(shù)據(jù)瀏覽窗口是aspen plus最重要的部分。這也是aspen plus區(qū)別于畫

圖軟件的地方。你需要在這個窗口中輸入所有的已知條件，并且運行后觀看運行

結果。其中如下信息是所有的模擬都需要有輸入的：

1）組分（components)

2）屬性(properties)

3）物流(streams)

4）單元操作(blocks)

組分沒什么好說的，流程用到什么成分你就輸什么成份，aspen plus內(nèi)置

的數(shù)據(jù)庫包括了1600多種常用物質(zhì)（如果需要的組分aspen plus中沒有用戶

可以自己擴充，這部份內(nèi)容不適合在初級，再后面介紹）。

屬性是一個難點，高難點，我認為這是考察技術人員模擬水平高低的一個重

要點。此內(nèi)容與化工熱力學關系十分緊密，如果你忘了，那么趕緊去研究化工熱

力學吧，怎么研究？快捷的方法是去讀《aspen plus的物性模型和方法〉手冊。

3. aspen plus能做什么？

Aspen plus能做什么？（以下是個人觀點而非aspentech公司官方的解釋，

也許有誤，歡迎指正）

aspen plus是用來計算平衡態(tài)體系數(shù)據(jù)的軟件，這句話的意思有以下幾點：

（1）aspen plus首先是計算軟件。這一點上和其他計算軟件（包括我們自

己開發(fā)的計算程序）沒有區(qū)別。比如我們自己搞一個srk方程的計算程序，其核

心與aspen plus沒有什么不同，都只是根據(jù)化工熱力學，化工原理等公式，輸

入一些已知條件，然后運行得到結果而已。

這么說好像aspen plus也不過如此而已，其實aspen plus是一個功能十

分強大的過程模擬軟件。aspen plus的強大之處在于：

1）它幾乎內(nèi)建了所有化工過程所涉及的原理公式，也就是說化工專業(yè)的課

程他全部都包括了；

2)它附帶了完善的數(shù)據(jù)庫，囊括了所有你需要去化工手冊上查找的數(shù)據(jù)；

3)強大的分析工具，比如改變輸入會怎樣影響輸出? aspen plus已經(jīng)自帶了

此類工具，你可以直接使用。正因為如此, aspen plus可以很方便的計算出大的

復雜的流程，這也是它稱之為模擬軟件的原因。

（2）其次aspen plus是平衡態(tài)體系的軟件。它不是仿真機，所以不是動

態(tài)模擬軟件，并且所計算的體系都是假設已經(jīng)達到平衡態(tài)，即不考慮時間的作用。

比如相平衡計算，只能計算達到平衡時體系是什么組成，溫度壓力等是多少，不

能處理非平衡的問題。

（3）aspen plus還有一個十分有用的功能，就是根據(jù)實驗數(shù)據(jù)回歸出一些

常數(shù)供其它地方使用。aspen plus的數(shù)據(jù)庫功能十分強大：

1）aspen plus由于已經(jīng)自帶了大量的數(shù)據(jù)庫，并且你可以得到這些數(shù)據(jù)，

那么你就不需要再去查化工手冊了。比如，純物質(zhì)的比熱，臨界點溫度，壓力等

等常數(shù)你都可以得到。

2)aspen plus可以計算得到任意計算物流的幾乎所有的物理性質(zhì)，比如：

密度，比熱，濕度等等工藝工程師所關心的數(shù)據(jù)。

但當你的需要的數(shù)據(jù)在aspen plus的數(shù)據(jù)庫中沒有時可以根據(jù)實驗數(shù)據(jù)回

歸出得到。舉個常見的例子，如果你在實驗室中，測量了水-乙醇體系在不同壓

力溫度下，汽液平衡時的汽液平衡組成，現(xiàn)在想根據(jù)該實驗結果得到wilson方

程的水-乙醇參數(shù)（雖然這組參數(shù)aspen數(shù)據(jù)庫中已經(jīng)有），那么就可以使用

aspen plus的數(shù)據(jù)回歸功能(data regress)。該功能的用處在于，如果你的工藝

是比較特殊的，aspen plus的數(shù)據(jù)庫內(nèi)沒有內(nèi)置你所研究的體系，那么你就可

以先用數(shù)據(jù)回歸功能得到相應的參數(shù)，再做模擬。該功能的具體用法以后再說。

4. aspen plus需要什么？

前面說過，aspen plus是一個根據(jù)方程計算的軟件，那么很明顯，是方程

必然需要已知條件才能解出未知數(shù)，所以aspen plus需要的是方程的已知數(shù)（或

已知條件），已知數(shù)可以多，卻不能少，否則方程無解。

4.1 aspen plus的方程

首先來了解一下aspen plus的方程，aspen plus的方程可以分為三大類：

1）熱力學方程，這是與具體的工藝流程無關的方程，如理想氣體方程、nrtl

方程、非理想溶液焓模型方程等等。該類方程為單元操作過程計算提供必要的數(shù)

據(jù)基礎。

2）單元操作方程，如換熱器，精餾塔等單元操作過程的計算，涉及到三傳

一反，這部分主要是和化工原理有關。

3）數(shù)學方程，這部分主要是用來解方程時涉及到的一些數(shù)學計算方法，與

我們工程技術人員關系不大。

我認為第一類方程即熱力學方程是aspen plus的基礎，建議在aspen plus

入門以后要好好的重點的學習一下，精讀一遍《aspen plus物性方法和模型手

冊》。第二類方程相對而言不是太難，而且我個人認為初學者沒有必要去精讀，

只要熟悉其原理即可。實際上aspen plus在其單元操作手冊上也并沒有寫明單

元操作模型的方程。也就是說aspen plus的計算模型是“黑箱”的，這就使很

多應用aspen plus求解問題的人可以得到問題的解，有時計算解和實際有很好

的吻合，但卻不知道其機理，這有利也有弊。好處是我們可以不必關心過程的機

理模型，便可以求解問題；缺點是想有更深研究的人，無從知道過程的機理。我

想這也正是aspen plus的商業(yè)秘密所在。對于aspen plus的流程計算模式（還

有其他模式如數(shù)據(jù)回歸模式此處不討論）。

這些方程計算你需要輸入以下數(shù)據(jù)：

1）流程圖

2）組分

3）物性方法

4）起始物流數(shù)據(jù)：組分、溫度、壓力（其他物流數(shù)據(jù)aspen plus可以計

算出來）。

5）所有單元操作模型數(shù)據(jù)（操作條件）

6）其他非必要數(shù)據(jù)，這主要是指如果你使用其他的功能，如設計規(guī)定，靈

敏度分析等。

4.2 單元操作模型

對于流程圖，需要特別指出的是單元操作模型。

單元操作模型是一種抽象的過程，選擇哪一個模型，取決于你有的條件和你

所想要求的結果。

單元操作的模型由兩個因素決定：

1）你有什么已知條件（操作條件）；

2）你想得到什么結果。不同的單元操作模型所能計算的和所需要的條件是

不同的，具體請參考單元操作模型手冊或者聯(lián)機幫助。這句話需要靈活運用，我

想再深入的講一點。

aspen plus的單元操作模型雖然與生產(chǎn)實際的設備相對應，但是，操作模

型不等具體設備，它是過程的一種抽象。你想解決的過程是怎樣的才能決定你所

選擇的模型，而不是由具體的設備決定的。舉個比較典型的例子：aspen plus

中有radfrac模型是個典型的精餾塔詳細計算模型，基本上可以等同于現(xiàn)實操作

的精餾塔設備，模型有冷凝器和再沸器。曾有人問我，他想計算冷凝器的詳細結

構該怎么辦？因為radfrac本身沒有關于冷凝器的結構的計算啊。解決的辦法很

簡單，你將radfrac的冷凝器設為無，然后在塔頂汽相添加一個heatx或者

hetran（換熱器）就可以了。而且還有人問精餾塔怎么不能設置全回流呢？說實

話，我并不明白有什么精餾塔在正常狀態(tài)下是全回流操作的，但如果你非要設成

全回流也不是沒有可能，用我前面講的方法，將換熱器的出口再返回精餾塔就可

以了。

4.3 物性方法的選擇

對于初學者而言，除非他十分熟悉熱力學的內(nèi)容，否則物性方法的選擇確實

是個難點，在你還沒有學習過熱力學或者精讀過《aspen plus物性方法和模型》

手冊之前，在這里簡要講一下物性方法。

首先要明白什么是物性方法？比如我們做一個很簡單的化工過程計算：

一股100℃, 1bar的水-乙醇(50：50摩爾比，100kmol/h）的物料經(jīng)過一個換

熱器后冷卻到了80℃, 0.9bar, 問下面值分別是多少？

·入口物料的密度，汽相分率。

·換熱器的負荷。

·出口物料的汽相分率，汽相密度，液相密度。

復雜一點，我還可以問物料的粘度，逸度，活度，熵等等。以上的值怎么計

算出來？

好，我們來假設進出口物料全是理想氣體，完全符合理想氣體的行為，則其

密度可以使用pv=nRT計算出來。并且汽相分率全為1，即該物料是完全氣體。

由于理想氣體的焓與壓力無關，則換熱器的負荷可以根據(jù)水和乙醇的定壓熱熔計

算出來。

在此例當中，描述理想氣體行為的若干方程，就是一種物性方法（aspen plus

中稱為ideal property method)。簡單的說，物性方法就是計算物流物理性質(zhì)

的一套方程，一種物性方法包含了若干的物理化學計算公式。對于本例而言至少

包含了如下兩個方程：

pv=nRT

dH=CpdT.

實際上，以上是一種最簡單的計算方法，但結果誤差是很大的。這是因為對

于“水-乙醇”體系在此兩種溫度壓力下，如果當作理想氣體來處理，其誤差是

比較大的，尤其對于液相。按照理想氣體處理的話，冷卻后仍然為氣體，不應當

有液相出現(xiàn)。

那么應該如何計算呢？主要涉及以下過程：

1）對于汽相pvt計算，可以使用srk方程，從而可以得到密度。液相也可

以使用狀態(tài)方程計算密度，但此處不推薦使用，可以使用Rackett模型計算液相

密度。

2）至于物流的相態(tài)，則首先需要做汽液平衡計算。

3）在進行汽液平衡計算時，液相應用活度系數(shù)方程計算組分的逸度系數(shù)，

并且還需要使用拓展antoine方程計算蒸汽壓力。

4）換熱器負荷的計算比較復雜，可以使用進出口物流焓差來計算，那么需

要計算出進出口物流的焓。

5）焓的計算有多種途徑，對于液相比較常用的方法是計算理想液體混合物

焓，然后再加上過剩焓計算出來。要計算非理想液體混合物過剩焓，則可通過混

合物質(zhì)汽相焓與蒸發(fā)焓差來計算，非理想性比較強是還要考慮混合焓差。

由此可見，實際過程至少包含如下公式方程：

1）狀態(tài)方程srk,

2）液相密度方程rackett.

3）拓展antoine方程.

4）汽，液相逸度系數(shù)方程

5）液相活度系數(shù)方程

6）汽相焓方程，通過srk方程導出，需要設計純氣體Cp=f(p,t)方程。

7）液相焓方程，相當復雜，此處不再重復。

8）其他方程，包括數(shù)學方程，比如以上計算時涉及到了微積分運算，汽液

平衡的回歸運算等。

以上方程，如果需要我們用戶去一個個選擇出來，則是一件相當麻煩的工作，

并且很容易出錯。好在模擬軟件已經(jīng)幫我做了這一步，這就是物性方法。

對于本例，我們對汽相用了狀態(tài)方程，srk；液相用了活度系數(shù)方程

(nrtl,wilson,等），在aspen plus中將此中方法叫做活度系數(shù)法，如果你選擇nrtl

方程，就稱為nrtl方法，wilson方程就成為wilson物性方法(wilson property

method)。這種物性方法中已經(jīng)囊括了所有我上面提到的方程公式。

在aspen plus中（或者應該說在化工熱力學中）有兩大類十分重要的物性

方法，對于初學者而言，了解到此兩類物性方法，基本上就可以開始著手模擬工

作了。

大體而言，根據(jù)液相混合物逸度的計算方法的不同，物性方法可以分為兩大

類：狀態(tài)方程法和活度系數(shù)法。狀態(tài)方程法使用狀態(tài)方程來計算汽相及液相的逸

度，而活度系數(shù)法使用狀態(tài)方程計算汽相逸度，但是通過活度系數(shù)來計算液相的

逸度。

常見的狀態(tài)方程有ideal、srk、pr、lk方程以及他們的一些改進方程。狀態(tài)

方程法就是基于此類狀態(tài)方程來計算逸度，壓縮因子，焓等等的物性方法。

常見的活度系數(shù)方程有nrtl、wilson、uniquac等。活度系數(shù)法就是基于此

類活度系數(shù)方程來計算液相逸度，液相焓等的物性方法。

一般而言，對于常見的烴類如烷，烯，芳香族，無機氣體如O2、N2等非

（弱）極性的化合物，選用狀態(tài)方程法；對于極性強的化合物，如水-醇，有機

酸體系選用活度系數(shù)法。另外對于汽相聚合的物質(zhì)，應選用特別的活度系數(shù)法，

可以計算汽相聚合效應。對于無機電解質(zhì)體系，選用elecnrtl物性方法。

關于更多更詳細的物性方法選擇請參考物性方法與模型手冊。

5. 學好aspen Plus應具備的先導知識

首先要學好《化工熱力學》、《化工原理》、《分離過程》、《過程系統(tǒng)工程》這

幾課，這些基礎知識學好后再看Aspen的學習資料會比較輕松。

另外，學習一點數(shù)學方面的知識，在《過程系統(tǒng)工程》這樣的書里是有詳細

介紹的。

不管學什么，先把基礎打好，這是最重要的。

關于Aspen幫助文檔，有三個是必看的，《ur guide》《Physical Property ，

Methods and Models》，《Unit Operation Models》。前面已經(jīng)強調(diào)了熱力學

模型在過程模擬中的重要性了，所以務必要掌握好各種物性模型和如何選擇。

6 推薦學習資料

下面兩個資料建議初學者看一下，對于學學習apn plus會事半功倍的，

一個是大慶金橋aspen教學，“aspen金橋演示教程”，另一個是《Aspen plus

塔設計案例》。前者可以使初學者快速熟悉和掌握Aspen plus的界面與基本操

作方法，后者通過一個精餾塔的案例，一步一步引導你學習Aspen plus做過程

模擬的各種功能。